落锤式弯沉仪(FWD)检测技术的发展与应用

落锤式弯沉仪（FWD）检测技术的发展与应用郑州大学河南省道路检测工程技术研究中心王复明一、FWD发展概况二、FWD在国际上的应用现状三、FWD与贝克曼梁对比试验四、FWD数据分析（模量反算）五、FWD工程应用一、FWD发展概况路面弯沉检测技术的发展静力弯沉仪振动式弯沉仪落锤式弯沉仪（FWD）承载板贝克曼梁自动弯沉仪静力弯沉仪静力荷载杠杆原理单点弯沉静力弯沉仪静力弯沉仪（贝克曼梁）贝克曼梁工作原理自动弯沉仪动荷发生器（周期荷载）传感器（精度高、重复性好）多点弯沉动荷较小振动式弯沉仪美国（德州）Dynaflect美国（加州）RoadRater美国（WES）Vibrator振动式弯沉仪DynaflectRoadRater落锤式弯沉仪（FWD）瞬态脉冲荷载传感器（精度高、重复性好）多点弯沉较好地模拟了实际行车荷载FWD系统构成落锤式弯沉仪（FWD）落锤式弯沉仪（FWD）70年代末期第一台FWD问世1997年全世界共有FWD/HWD约340台（COST统计：324台）2001年全世界共有FWD/HWD约450台（COST统计：428台）美国FWD发展状况1985年，3个州应用FWD1990年，30个州应用FWD2002年，拥有FWD/HWD140余台已实现标准化、规范化落锤式弯沉仪（FWD）美国德克萨斯州拥有16台FWD中国FWD发展状况80年代，3台1992年，5台1997年，10台2002年，40台2004年，60余台落锤式弯沉仪（FWD）弯沉检测技术发展方向由静力检测向动力检测发展由人工检测向自动化检测发展FWD在国内外得到日益广泛的应用二、FWD在国际上的应用现状美国：FWD技术标准(ASTM)SHRP-LTPP项目欧洲：COST336项目FWD现场对比试验FWD技术标准（ASTMD4694-96）落锤荷载峰值≥50KN半正弦波脉冲宽度20~60ms荷载板直径300mm和450mmFWD主要技术标准（ASTMD4694-96）传感器精度弯沉传感器：分辨率：1μm精度：±2%荷载传感器：分辨率：200N精度：±2%FWD标定SHRP标定方法SHRP-LTPPSHRP四项研究内容之一持续20年长期观测路段约1140个弯沉检测设备：8台FWD20多个国家和地区参加了SHRP-LTPP国际合作SHRP-LTPP:FWD试验指南FWD现场试验FWD数据分析与管理FWD精度标定FWD保养与维修SHRP-LTPP：FWD现场试验路面类型普通路段：8种结构形式FWD试验计划柔性路面刚性路面（分缝）连续钢筋混凝土路面SHRP-LTPP：FWD现场试验弯沉检测类型弯沉盆检测接缝传荷能力检测SHRP-LTPP：FWD现场试验弯沉传感器布置荷载设置测点选择温度测试SHRP-LTPP：FWD数据管理软件设置数据采集数据质量检查数据回放数据标记SHRP-LTPP：FWD精度标定FWD精度要求：≤±2%绝对标定标定硬件(标定中心)数据分析软件相对标定标定硬件(厂家配备)数据分析软件SHRP-LTPP：FWD精度标定FWD标定中心投入使用时间内瓦达标定中心（SHRP/LTPP）1991明尼苏达标定中心（SHRP/LTPP）1992宾夕法尼亚标定中心（SHRP/LTPP）1992德克萨斯标定中心（SHRP/LTPP）1992佛罗里达标定中心（Dynatest）1992FWD标定标定前绝对标定以后相对标定以后FWD绝对标定FWD绝对标定FWD绝对标定弯沉传感器标定荷载传感器标定FWD绝对标定过程标定前的准备FWD荷载传感器标定FWD弯沉传感器标定数据分析标定后的处理欧洲：FWD应用技术研究COST—欧洲科学技术合作组织COST336项目—FWD在路面评价中的应用主要研究内容：FWD数据分析FWD应用（路网级）FWD现场对比试验欧洲：FWD现场对比试验CROW—荷兰交通及基础设施信息与技术中心现场对比试验（相对标定）邀请欧洲FWD使用单位参加两年进行一次（1988年起）欧洲：FWD现场对比试验选择代表性路段可重复性试验（每台设备）可重现性试验（同型设备）参照弯沉盆的确定现场标定系数的确定1995年形成FWD现场标定指南FWD相对标定FWD相对标定过程标定前的准备相对标定数据分析标定后的处理三、FWD与贝克曼梁对比试验FWD重复性试验贝克曼梁重复性试验FWD与贝克曼梁相关性弯沉值对比分析弯沉检测可重复性研究土基模量对比分析FWD与贝克曼梁、承载板现场对比试验弯沉值对比分析10015020025030035005101520测点号弯沉（0.01mm）贝克曼梁承载板FWD土基上三项试验弯沉值对比弯沉值对比分析底基层上三项试验弯沉值对比406080100120140135791113151719测点号弯沉贝克曼梁承载板FWD弯沉值对比分析基层上三项试验弯沉值对比1030507090161116测点号弯沉（0.01mm）贝克曼梁承载板FWD弯沉值对比分析面层上三项试验弯沉值对比02040601591317测点号弯沉（0.01mm）贝克曼梁承载板FWD弯沉值检测可重复性两次贝克曼梁试验所测弯沉对比（石灰土底基层相隔一天）102030405060135791113151719测点号弯沉（0.01mm）第一次第二次弯沉值检测可重复性两次FWD试验所测弯沉对比（石灰土底基层相隔一天）1030507090110135791113151719测点号弯沉（0.01mm）第一次第二次弯沉值检测可重复性两次贝克曼梁试验弯沉的线性相关分析（20个点中剔去4个点)y=1.1064x-7.3397R2=0.65630204060802030405060第一次第二次弯沉值检测可重复性两次FWD试验弯沉的线性相关分析（20个测点全部保留）y=0.9117x+1.1638R2=0.88550607080901005060708090100110第一次第二次土基模量对比分析三项试验反算土基模量对比图02040608010012014016026101418测点号模量（MPa）贝克曼梁承载板FWD郑州大学、天津市政质监站FWD对比试验郑州大学、天津市政质监站FWD对比试验0204060801001201313.213.413.613.81414.214.4桩号(km)弯沉值(µm)河南FWD天津FWD相关系数:0.98天津学苑路弯沉检测结果对比0100200300400500600700800900050100150200250300350400450500550600650FWD贝克曼梁天津FWD、贝克曼梁重复性试验四、FWD数据分析（模量反算）模量反算问题的提出模量反算基本方法及代表性软件模量反算系统识别方法路面承载能力29.385.06300024010−⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛××=actENε26.36160164.010−⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛××=buvENσ对沥青面层：对散粒体材料(基层及路基)：路面承载能力与弯沉不存在简单的关系承载能力(×106)弯沉(mm)0.11101000.400.450.500.550.600.650.70模量反算问题的提出路面结构层模量路面承载能力评价路面结构应力应变状态FWD检测数据（弯沉盆）为模量反算提供了可能性FWD工作原理国际上已开展20多年的研究试算法、回归法、图解法数据库法迭代法模量反算基本方法模量反算软件（COST336）COST336,TG1ListofpubliclyavailablecomputerprogramsforFWDanalysis#ProgramNameContactNameCompanyemailaddress1UEC-SLAB,[e-mail]2BAP(LEAD)JoaoRochadeAlmeidaNewUniversityofLisbon,[e-mail][e-mail]4CAREArthurvanDommelenDWW,[e-mail]5CANUVJozefKomackaUniversityofZilina,[e-mail],Prag,[e-mail][e-mail][e-mail]9UMPED,[e-mail]10MICHBACK,[e-mail][e-mail][e-mail][e-mail][e-mail]15SIDMODFumingWangHenanResearchCenterforRoadNDTTechnology(ZhengzhouUniversityofTechnology)[e-mail]16WESDEFDonAlexanderWaterwaysExperimentalStation,[e-mail]@vv.seSIDMOD软件基本原理—系统识别实际路面路面结构力学模型参数调整算法ΔEFWD荷载WC计算弯沉Wm实测弯沉系统识别原理柔性路面多层弹性体模型刚性路面温克勒地基板弹性半空间地基板多层地基板多块板（有限元）路面结构模型灵敏度矩阵奇异值分解反演方程及“病态”问题[]}{{e}=ΔEF][212221212111⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=nmmmnnEWEWEWEWEWEWEWEWEWF∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛΛ理论严谨，反算过程稳定反演结果与初始值无关（实用意义上）收敛快，精度高实用性强（刚性、柔性；路基、路面）SIDMOD模量反算软件初始值敏感性精度同类软件：MODULUSMODCOMPWESDEFSIDMOD软件考评（参考SHRP考评方法和数据）SIDMOD软件对初始值的敏感性分析（SHRP-LTPP模拟路面）初始模量(ksi)反算模量(ksi)路面编号反算序号第一层第二层第三层第四层第一层第二层第三层第四层250252500.550.020.05500000500002000500.550.020.01850000025200500.250.020.0240020054004.11996.710.0540000020000010004004.11996.710.068402010004004.11996.710.02504001005499.34027.2993.915.05500004000001000001500499.34027.4993.815.098504000001001500499.34027.0993.915.0SIDMOD软件对初始值的